Ultradźwięki

Wykład dla studentów kierunku

Analityka medyczna

2012 - 2013

Hanna Trębacz

Katedra i Zakład Biofizyki

Uniwersytet Medyczny w Lublinie

•Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości
powyżej 20 kHz

•Zjawiska i parametry dotyczące rozchodzenia się fal
dźwiękowych stosuje się również do ultradźwięków

• Fale ultradźwiękowe odbijają się i załamują na
granicach pomiędzy różnymi ośrodkami

Trochę podstaw

Akustyczne parametry ośrodka

(tkanki)

Prędkość propagacji fali w ośrodku

c

Impedancja akustyczna

ośrodka Z

Współczynnik tłumienia fali

a

ρ

M

c



W ciałach stałych

M

– moduł sprężystości

gęstość

ρ

K

c



W cieczach i gazach

K

– współczynnik ściśliwości

Prędkość ultradźwięków w ośrodku

Prędkość ultradźwięków wzrasta wraz ze

wzrostem temperatury

Tłumienie ultradźwięków

x

e

A

A

a





0

a

=

a

absorbcja

+

a

rozpraszanie

A

– amplituda fali

a

–

współczynnik tłumienia

x

–

przebyta droga

Fala akustyczna jako rozchodzące się
periodyczne ruchy cząsteczek ośrodka

Periodyczne ruchy cząsteczek (o prędkości

v

)

powodują lokalne zmiany ciśnienia (

D

p

)

w ośrodku

Impedancja akustyczna (opór akustyczny)

Stosunek lokalnych zmian ciśnienia

D

p

wywołanych przez

oscylujące cząsteczki do prędkości cząsteczki podczas

oscylacji

v

nazywany jest

impedancją akustyczną

Z

:

Z =

D

p/v

Impedancja akustyczna jest parametrem związanym z

oporem ośrodka przeciw rozchodzącej się w nim fali.

Impedancja akustyczna ośrodka (np. Powietrza, skały,

wody, tkanki), jest parametrem materiałowym:

Z = ρ·c

Gdzie:

ρ

to gęstość ośrodka, a

c

to

prędkość sprężystej fali

podłużnej

(np. dźwięku) w tym ośrodku

Ośrodek

Prędkość

x

10

3

m/s

Impedancja

akustyczna

x

10

6

kg/m

2

s

Współczynnik

tłumienia (1MHz)

dB/cm

Woda

1.483

1.48

0.0022

Powietrze

0.343

0.00045

12

Krew

1.55

1.61

0.17

Tkanka

tłuszczowa

1.45

1.38

3.0

Mięsień

1.55

1.62

0.53

Kość

2.35 - 4.55

4.5

– 9.2

5.0

– 12.0

Ultradźwięki w medycynie



Zastosowania diagnostyczne:

2MHz

– 15 MHz



Zastosowania terapeutyczne:

0.5

– 1.2 MHz



Inne zastosowania laboratoryjne

Diadnostyka ultradźwiękowa



Obrazowanie ultradźwiękowe



Monitorowanie zabiegów wewnątrz ciała

I

o

I

R

I

T

Z

1

=

r

1

c

1

Z

2

=

r

2

c

2

Odbicie ultradźwięków na granicy

pomiędzy dwoma różnymi ośrodkami

2

2

1

2

2

1

)

Z

Z

(

)

Z

Z

(

I

I

R

O

R









Współczynnik odbicia to stosunek natężenia fali
odbitej

na granicy do natężenia fali padającej.

I

o

= 1

I

R

= 0.0064

I

T

=

0.9936

Z

1

= 1.38x10

6

kg/(m

2

s)

Z

2

= 1.62x10

6

kg/(m

2

s)

Odbicie na granicy:

tkanka tłuszczowa-nerka

R = 0.0064

Odbicie na granicy:

mięsień-powietrze

I

o

= 1

I

R

= 0.999

I

T

=

0.001

Z

1

= 1.62x10

6

kg/(m

2

s)

Z

2

= 0.00045x10

6

kg/(m

2

s)

R = 0.999

Odbicie ultradźwięków

Prezentacja A

1

2

3

4

Ekran oscyloskopu

1

2

3

4

Obrazowanie ultradźwiękowe

Prezentacja B

ULTRASONOGRAFIA

•Fala ultradźwiękowa wytworzona przez przetwornik piezoelektryczny jest

wprowadzana do ciała pacjenta (kontaktowo)

•Fala odbija się na granicach pomiędzy tkankami i strukturami w tkankach

•Odbite fale (echa) trafiają do tego samego przetwornika i są przetwarzane na

sygnał elektryczny

•Zmiany tego sygnału są przetwarzane na obraz na ekranie komputera

Metoda echa

rozdzielczość ~ 1 mm

Ultrasonografia

Efekt Dopplera
w pomiarach prędkości krwi

a

cos

2







c

v

f

f

D

Ultrasonografia dopplerowska

•Efekt termiczny

-

Absorpcja energii kinetycznej cząsteczek i jej

zamiana na ciepło; zależy od natężenia i czasu
trwania ekspozycji

Np. 1 MHz o natężeniu 1 W/cm

2

, powoduje

wzrost temperatury 1 cm

3

tkanki miękkiej o

1.44K/min

•Efekt mechaniczny

-

Ruch składników materii

Oddziaływanie ultradźwięków z materią

– podstawy fizyczne

Terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków

•

Diatermia ultradźwiękowa

•

(efekt termiczny)

przykład zastosowania:

bóle mięśni i stawów

•

Mikromasaż

•

(efekt mechaniczny)

przykład zastosowania:

leczenie zbliznowaceń

Wnikanie w skórę

Masaż
ultradźwiękowy

Masaż
mechaniczny

Masaż ręczny



Ultradźwięki rozchodzą się jako lokalne zagęszczenia i

rozrzedzenia ośrodka. Przy wystarczająco dużej mocy fali,

podczas fazy rozrzedzenia może dojść do utworzenia

pęcherzyków kawitacyjnych wypełnionych parą wodną.



Jeżeli ciecz gwałtownie przyśpiesza, to zgodnie z zasadą

zachowania energii, ciśnienie statyczne cieczy musi

zmaleć.



Im niższe ciśnienie – tym niższa temperatura wrzenia –

ciecz wrze i pęcherzyki wypełniają się para wodną.



Kawitacja to gwałtowna przemiana fazowa z fazy

ciekłej w fazę gazową pod wpływem zmniejszenia

ciśnienia.

Oddziaływanie ultradźwięków z materią

Kawitacja akustyczna

Oddziaływanie ultradźwięków z materią

Kawitacja akustyczna

Amplituda ciśnienia
akustycznego

Rozmiar
pęcherzyków

Kawitacja akustyczna



Pęcherzyki rosną stopniowo a potem zapadają się
podczas fazy kompresji wydzielając energię
wystarczającą zainicjowania zmian mechanicznych i
chemicznych w ośrodku.

Tworzenie
rodników

Erozja
powierzchni

Emisja
akustyczna

Emisja
światła

Oddziaływanie ultradźwięków z materią

•Efekt termiczny
•Efekt mechaniczny

Wpływ ultradźwięków wysokiej

mocy na materię

Efekt zależy od natężenia !

•Przyspieszenie i wzmocnienie pewnych procesów, np.:
dyfuzja, powstawanie

rodników, tworzenie

emulsji,

polimeryzacja
•Dezintegracja i fragmentacja cząsteczek w
zawiesinach (efekt bakteriobójczy), erozja powierzchni,
usuwanie osadów

Natężenia fali ultradźwiękowej w
zależności od zastosowania



Diagnostyka - obrazowanie - do 0,1W/cm

2



Diagnostyka Dopplerowska - do 1W/cm

2



Zabiegi fizjoterapeutyczne - (1- 3) W/cm

2



Czyszczenie powierzchni, rozdrabnianie
cząsteczek, efekty chemiczne - powyżej 10 W/cm

2

Uwaga: Efekt działania zależy nie tylko od mocy ale i od
czasu ekspozycji.
< 0,1W/cm

2

efektu biologicznego nie stwierdzono

nawet po wielu godzinach działania,
> 10 W/cm

2

– efekt biologiczny możliwy już po 20 s

Ultradźwięki wysokiej mocy w

laboratorium



Myjki (wanny) ultradźwiękowe,



Dezintegratory i homogenizatory



Sterylizatory ultradźwiękowe



Nawilżacze

Ultradźwięki wysokiej mocy w

stomatologii



Usuwanie zmian próchniczych,



Oczyszczanie zębów z kamienia
nazębnego

Dziękuję za uwagę!

Zęby psa przed i po czyszczeniu

ultradźwiękowym